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Chem. Mater. | 基于氯取代九元稠环小分子非富勒烯受体的高效大面积聚合物太阳电池


英文原题:Chlorinated Fused Nonacyclic Non-Fullerene Acceptor Enables Efficient Large-Area Polymer Solar Cells with High Scalability

通讯作者: 张凯,黄飞, 华南理工大学

作者:Gongchu Liu(刘功础), Tao Jia(贾涛), Kai Zhang(张凯), Jianchao Jia(贾建超), Qingwu Yin(殷庆武), Wenkai Zhong(钟文楷), Xiao’e Jia(贾小娥), Nan Zheng(郑楠), Lei Ying(应磊), Fei Huang(黄飞), Yong Cao(曹镛)


聚合物太阳电池 (PSCs) 由于其质轻、柔性、低成本和可以溶液加工以实现大面积卷对卷印刷制备等优势,有望成为新一代清洁能源技术。相比于传统的富勒烯受体,非富勒烯小分子受体具有能级可调以及更宽更强的吸收等优势而受到广泛关注。随着这类受体材料的快速发展,当前基于非富勒烯受体的小面积器件能量转换效率 (PCE) 已经超过17%,因此开发面向商业化的高效大面积器件成为了领域内的研究热点。


近日,华南理工大学黄飞教授团队在前期开发的九元稠环小分子受体研究工作的基础上(Org. Electron., 2019, 68, 151-158; Adv. Energy. Mater., 2019, 9, 1803657),将氯取代的氰基茚酮作为端基引入到此分子核中合成了一个新的小分子受体TfIF-4Cl,其分子式如图1所示。和氟取代受体TfIF-4F相比,氯原子的引入增强了分子内的电荷转移,同时也获得了更深的能级和更宽的吸收光谱。此外,氯化作用也进一步改善了分子的π-π堆积,更有利于在共混膜中形成更优的微观形貌(图2)。当将其与有着互补吸收的聚合物给体PM7共混制备电池器件时,取得了超过14%的光电转换效率(0.97 V 的开路电压,0.78的填充因子以及18.5 mA cm-2的短路电流),高于氟取代器件(13.3%)。并且作者也制备了不同厚度的器件,当活性层厚度在85 nm左右时可以取得高达0.80的填充因子,当其厚度达到250 nm 左右时,还能取得12.2%的器件效率和0.72的填充因子,显示了其在厚膜器件中的潜力。进一步作者通过PL以及TRPL测试发现,和氟取代器件相比,氯取代器件表现出更有效的电荷转移以及电荷分离(图3),并因此表现出更好的器件性能。

图1. 分子式以及吸收和能级


图2. GIWAXS测试

图3. PL和TRPL测试以及J-V和EQE曲线


此外,器件放大过程中的热损耗是导致大面积器件效率下降的主要原因。因此,相对较低的器件电流会更有利于降低大面积器件的热损耗。PM7:TfIF-4Cl体系的开路电压接近1 V,填充因子达到78%,而短路电流只有18.5 mA cm-2,显示了其在大面积器件中的优越性。因此制备了1.01 cm2 的器件,并最终取得了13.3%的光电转换效率(图4,短路电流18.4 mA cm-2,填充因子0.74,开路电压0.97 V)。相对于小面积器件(0.04 cm2),大面积器件的效率保有率达到95%。

图4. 1.01 cm2器件性能


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Chlorinated Fused Nonacyclic Non-Fullerene Acceptor Enables Efficient Large-Area Polymer Solar Cells with High Scalability

Gongchu Liu, Tao Jia, Kai Zhang*, Jianchao Jia, Qingwu Yin, Wenkai Zhong, Xiao’e Jia, Nan Zheng, Lei Ying, Fei Huang*, Yong Cao

Chem. Mater., 2020, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b03694

Publication Date: January 9, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society


(本稿件来自ACS Publications


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